Podstawy biotechnologii

obowiązkowe

w sali

Wykład z biotechnologii wprowadzi treści dotyczące zastosowania biotechnologii w przemyśle chemicznym, w ochronie środowiska, perspektywy rozwoju biotechnologii oraz omówi problemy ściśle związane z metodyką opracowywania procesu biotechnologicznego: modernizacją i innowacją procesu technologicznego, tworzeniem nowych biotechnologii, a także takie zagadnienia jak faza wstępna, badawcza i wdrożenie procesu, etapy opracowywania biosyntezy. Następnie zostanie omówiony udział poszczególnych drobnoustrojów w biotechnologii (w tym przegląd najważniejszych procesów, dobór szczepu, prowadzenie kultury, przechowywanie szczepów). Screening metabolitów wtórnych będzie kolejnym tematem wykładu. Duża część wykładu dotyczyć będzie najistotniejszych aplikacji biotechnologicznych XXI w, z naciskiem na zastosowania biotechnologii w medycynie. Przegląd podstawowych technologii biochemicznych, a także biochemiczne podstawy najważniejszych biotechnologii będą omawiane w części biochemicznej przedmiotu.

Wykład z biotechnologii obejmuje: Wprowadzenie do biotechnologii: definicja terminu biotechnologia, rys historyczny przedmiotu, literatura tematu. Perspektywy rozwoju biotechnologii - dane statystyczne związane z biotechnologią, biotechnologia 21 wieku, społeczne i prawne aspekty rozwoju biotechnologii (obecny stan prawny, GMO, działania polityczne, błąd zaniechania, przywileje konsumenta, lista potencjalnych zagrożeń, perspektywy, kierunki rozwoju i elementy specyficzne rozwoju. Metodyka opracowywania procesu biotechnologicznego: modernizacja i innowacja procesu technologicznego, tworzenie nowych biotechnologii, faza wstępna, badawcza i wdrożenie procesu, etapy opracowywania biosyntezy (pozyskiwanie odpowiednich drobnoustrojów, wstępne ustalenie warunków ich hodowli, doskonalenie cech produkcyjnych szczepów, optymalizacja bioprocesowa, powiększanie skali procesu, uruchomienie produkcji. Drobnoustroje w biotechnologii. Przegląd najważniejszych procesów, kształtowanie przebiegu procesu biotechnologicznego, dobór szczepu, prowadzenie kultury, przechowywanie szczepów, technologia bioprocesowa (fermentacje prowadzone przez drobnoustroje, technologia rekombinowanego DNA. Bakteriofagi i bakterie w biotechnologii – genetyka bakterii a biotechnologia, podstawy inżynierii genetycznej i bio-nanotechnologia. Rodzaje klonowań - klonowanie molekularne i klonowanie komórkowe. Typy hodowli – omówienie najważniejszych typów hodowli drobnoustrojów i ich znaczenia w produkcji. Poszukiwanie nowych metabolitów wtórnych – screening biologiczny i chemiczny antybiotyków, zastosowanie chromatografii cieczowej i gazowej w procesie analizy produktów pohodowlanych, izolacja i oczyszczanie nowych antybiotyków. Zastosowania biotechnologii w medycynie, rolnictwie, przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i ochronie środowiska. Mechanizmy patogenezy a produkcja szczepionek – zastosowanie żywych wektorów w biotechnologii szczepionek najnowszej generacji (indukcja odporności wewnątrzkomórkowej, znajomość molekularnych mechanizmów działania toksyn i innych determinantów zjadliwości w projektowaniu szczepionek najnowszej generacji, cienie bakteryjne), a także zastosowanie w walce z rakiem. Przegląd podstawowych mechanizmów modyfikacji kontroli negatywnej metabolizmu związków tj. zmiany preferencji metabolicznych, aktywności enzymów, regulacja przez dodatek prekursorów, wykorzystanie mutantów auksotroficznych i regulatorowych czy zmiana przepuszczalności błony komórkowej. Przegląd podstawowych technologii biochemicznych. Nadprodukcja kwasu cytrynowego oraz lizyny i glutaminy. Metabolity wtórne (idiolity). Drogi ich biosyntezy (szlak ketonowy, mewalonowy, Rohmera, biosynteza aminokwasów peptydowych). Specyficzne mechanizmy regulacji biosyntezy idiolitów (represja kataboliczna, regulacja przez związki azotu, fosforu czy poziom energetyczny w komórce). Wykorzystanie mikroorganizmów i enzymów do transformacji związków (rozdzielanie mieszanin reacemicznych, fermentacje, biotransformacja antybiotyków, sterydy). Hydrobiometalurgia - wykorzystanie mikroorganizmów do ługowania metali (żelaza, uranu), oraz ich zatężania i akumulacji.

Program ćwiczeń obejmuje zagadnienia ściśle związane z programem wykładów. Do proponowanych tematów należą: Zapoznanie z podstawowymi technikami i metodami stosowanymi w biotechnologii oraz zaprezentowanie wykorzystania mikrobiologii w biotechnologii medycznej i przemysłowej. Konstrukcja, hodowla i charakterystyka mikroorganizmów transgenicznych, które mogą mieć zastosowanie przy projektowaniu szczepionek nowej generacji. Znajomość molekularnych mechanizmów działania toksyn i innych determinantów zjadliwości w projektowaniu szczepionek najnowszej generacji - realizowana w ćwiczeniu obejmującym oznaczanie aktywności toksyn bakteryjnych, określenie cytotoksyczności wybranych czynników patogenezy Listeria monocytogenes na modelu komórek eukariotycznych, izolację DNA chromosomalnego i amplifikację genów kodujących determinanty patogenezy metodą reakcji PCR. Wyciszanie ekspresji genów bakteryjnych na poziomie RNA umożliwia wszechstronną modyfikację mikroorganizmów oraz stwarza nowe możliwości zwalczania bakterii patogennych. Ten temat jest realizowany w ramach ćwiczenia umożliwiąjącego poznanie zasad projektowania sztucznych cząsteczek RNA na przykładzie atsRNA (ang. artificial trans-encoded small RNA) oraz ocenę efektywności wyciszania ekspresji genów metabolizmu podstawowego E. coli przy udziale atsRNA. Biosurfaktanty bakteryjne stanowią alternatywę dla stosowanych syntetycznych surfaktantów. Dzięki wykazywanym właściwościom biosurfaktanty mogą być praktycznie wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym, mogą być również stosowane w bioremediacji gleby z produktów ropopochodnych i metali ciężkich. Ćwiczenia pozwolą na identyfikację szczepów bakteryjnych, które produkują substancje powierzchniowo czynne, pozwolą również ocenić czy związki te produkowane są w sposób konstytutywny, czy też ich produkcja wymaga obecności induktora. Ponadto wykonana zostanie charakterystyka badanych szczepów pod kątem produkcji emulgatorów. Praktyczne zastosowanie w przemyśle kosmetycznym i spożywczym mogą znaleźć również produkowane przez bakterie barwniki karotenoidowe. W ramach ćwiczeń studenci poznają kolejne etapy uzyskiwania barwników z bakterii w skali laboratoryjnej. Zbadają hodowle bakteryjne wybranych szczepów produkcyjnych prowadzone w różnych warunkach wzrostu. Dokonają izolacji barwników oraz oceny jakościowej i ilościowej uzyskanych preparatów. Zbadają też stabilność genetyczną analizowanych szczepów bakteryjnych. Wyniki pozwolą na wytypowanie najbardziej wydajnej i najkorzystniejszej ekonomicznie metody produkcji barwników.

Wykorzystanie prostych metod do oczyszczania i izolowania związków: oczyszczanie związków metodą ekstrakcyjną połączoną ze zmianą pH (do izolowania kwasów tłuszczowych z hydrolizatu oleju roślinnego, glikoalkaloidów z ziemniaka); metody izolowania lipidów ze świeżego materiału z wykorzystaniem chromatografii adsorpcyjnej (glikolipidy, steroidy, barwniki izoprenoidowe); zastosowanie metod selektywnego wytrącania i ekstrakcji do otrzymywania fosfolipidów, wolnego i związanego glikozydowo kwasu oleanolowego, antocyjanów); wyodrębnianie polisacharydów (skrobi i jej składników, pektyn). Wykorzystania chromatografii powinowactwa do oczyszczania białek ze złożonych mieszanin: oczyszczanie frakcji immunoglobulin G z surowicy krwi królika na kolumnie z białkiem A związanym z agarozą. Poszczególne fazy oczyszczania analizuje się za pomocą elektroforezy w żelu poliakryloamidowym z dodatkiem SDS (SDS-PAGE) wg metody Laemmliego. Masę cząsteczkową oczyszczonych białek wylicza się korzystając z wzoru na ruchliwość w rozdziale elektroforetycznym, wykorzystując białkowe wzorce masy. Zastosowanie unieruchomionych komórek do prowadzenia reakcji enzymatycznych w bioreaktorze: drożdże unieruchomione w żelu alginianowym stosuje się do przekształcenia glukozy w etanol w mikroreaktorze przepływowym. Kinetykę wytwarzania etanolu monitoruje się, oznaczając jego stężenie za pomocą reakcji enzymatycznej sprzężonej z redukcją NAD+; stężenie powstającego NADH oznacza się spektrofotometrycznie.

1. Singleton P. Bakterie w biologii, biotechnologii i medycynie. 2000, PWN

2. Klimiuk E., M. Łebkowska. Biotechnologia w ochronie środowiska. 2003, PWN

3. Chmiel A., S. Grudziński. Biotechnologia i chemia antybiotyków. 1998, PWN

4. Chmiel A.. Biotechnologia . Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne. 1998, PWN

5. Malepszy S. Biotechnologia roślin. 2007. PWN

6. Twardowski T., A. Michalska. Kod - korzyści oczekiwania, dylematy biotechnologii. 2001, MNiSW

7. Buchowicz J. Biotechnologia molekularna, 2007. PWN

8.Bednarski W., Reps A. Biotechnologia żywności. 2007. PWN

9. Szala S.(red.). Terapia genowa. 2001. PWN

10. Fiedurek J. Podstawy wybranych procesów biotechnologicznych, 2004, Wyd. UMCS

11. Madigan M.T., Martinko J. M. Biology of microorganism. 2011. Brocks. Pearson Education, Inc.

12. Lowrie P., Wells S. Microbiology and biotechnology. 2004. Cambridge University Press

13. Glazer A.,N., Nikaido H. Microbial Biotechnology. 1995 – 2000. W. H. Freeman and Company

14. Thieman W. J., Palladino M. A. Introduction to Biotechnology, 2013, Pearson Education, Inc.

15. Tortora G.J., Funke B.R., Case C.L., Microbiology, 2010, Pearson Education, Inc.

16. Flickinger M.C. Upstream industrial Biotechnology, 2013, Wiley

17. Flickinger M.C. Downstream Industrial Biotechnology, 2013, Wiley

Po opanowaniu materiału objętego wykładem i ćwiczeniami student:

WIEDZA

-Ma elementarną wiedzę w wybranych podstawowych obszarach biotechnologii oraz rozumie związki i zależności między różnymi dyscyplinami przyrodniczymi (K_W01 Bt1)

-Wykazuje znajomość podstawowych technik i narzędzi w badaniach zjawisk przyrodniczych i rozumie znaczenie pracy doświadczalnej w biotechnologii oraz potrafi opisać znaczenie analiz molekularnych w badaniach biologicznych i medycznych (K_W04 Bt1)

-Ma wiedzę dotyczącą wykorzystania technicznych i technologicznych aspektów biotechnologii (K_W05 Bt1)

-Wykazuje znajomość podstawowego słownictwa w dziedzinie nauk przyrodniczych (w tym w biotechnologii) w wybranym języku nowożytnym (jęz. ang.) (K_W06 Bt1)

-Rozumie zasady bezpieczeństwa i higieny pracy (K_W09 Bt1)

-Ma podstawową wiedzę z zakresu ochrony własności intelektualnej (K_W10 Bt1)

UMIEJĘTNOŚCI

-Stosuje podstawowe techniki, właściwe dla biotechnologii (K_U01 Bt1))

-Przeprowadza proste zadania badawcze lub ekspertyzy pod okiem opiekuna (K_U04 Bt1)

-Wykonuje w terenie/laboratorium proste pomiary fizyczne lub/i biologiczne lub/i chemiczne oraz dokonuje obserwacji na poziomie podstawowym (K_U05 Bt1)

-Wykazuje umiejętność poprawnego wnioskowania na podstawie danych z różnych źródeł (K_U06 Bt1)

-Wykazuje umiejętność pozyskania i charakterystyki materiału biologicznego (K_U08 Bt1)

KOMPETENCJE SPOŁECZNE

-Wykazuje zrozumienie zjawisk i procesów fizycznych i chemicznych w przyrodzie (K_K01-Bt1)

-Rozwija akceptującą postawę wobec metod matematycznych i statystycznych stosowanych w biotechnologii (K_K02 Bt1)

-Wykazuje odpowiedzialność za własną pracę i powierzony sprzęt; wykazuje poszanowanie pracy własnej i innych (K_K03 Bt1)

-Wykazuje zdolność do efektywnej pracy w zespole (K_K04 Bt1)

-Rozumie podstawowe zasady etycznego postępowania w pracy zawodowej i w życiu (K_K05 Bt1)

-Rozumie potrzebę przekazywania społeczeństwu informacji o nowych osiągnięciach biotechnologii i potrafi przekazać te informacje w sposób zrozumiały (K-K06 Bt1)

Ocena końcowa jest oceną z egzaminu. Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń na ocenę pozytywną.

Zajęcia są zaliczane jeśli student:

1) uczestniczył w co najmniej 85 procentach zajęć;

2) pracował na zajęciach w sposób pozwalający pozytywnie ocenić wiedzę, umiejętności i kompetencje społeczne, jakie w toku zajęć uzyskał (opisane w sylabusie jako przedmiotowe efekty kształcenia). Warunkiem zaliczenia ćwiczeń jest zdanie sprawdzianów cząstkowych.

Egzamin pisemny złożony z dwóch części: (i) zawierającej 4 pytania z części mikrobiologicznej (ii) 2 pytania z części biochemicznej. Egzamin ma formę pytań otwartych, wymagających pełnego opisu zagadnienia. Próg zaliczenia wynosi 51%.

Nie są obowiązkowe.